Unsupervised feature learning often finds low-dimensional embeddings that capture the structure of complex data. For tasks for which expert prior topological knowledge is available, incorporating this into the learned representation may lead to higher quality embeddings. For example, this may help one to embed the data into a given number of clusters, or to accommodate for noise that prevents one from deriving the distribution of the data over the model directly, which can then be learned more effectively. However, a general tool for integrating different prior topological knowledge into embeddings is lacking. Although differentiable topology layers have been recently developed that can (re)shape embeddings into prespecified topological models, they have two important limitations for representation learning, which we address in this paper. First, the currently suggested topological losses fail to represent simple models such as clusters and flares in a natural manner. Second, these losses neglect all original structural (such as neighborhood) information in the data that is useful for learning. We overcome these limitations by introducing a new set of topological losses, and proposing their usage as a way for topologically regularizing data embeddings to naturally represent a prespecified model. We include thorough experiments on synthetic and real data that highlight the usefulness and versatility of this approach, with applications ranging from modeling high-dimensional single cell data, to graph embedding.


翻译:未经监督的特征学习往往发现有低维的嵌入,可以捕捉复杂的数据结构。对于专家先前的地形学知识所具备的任务,将这些数据纳入学习的表层模型可能会导致质量更高的嵌入。例如,这可能有助于将数据嵌入一个特定组群,或适应噪音,从而无法直接从模型中获取数据,然后可以更有效地学习这些数据。然而,缺乏将不同先前的地形学知识纳入嵌入结构的一般工具。虽然最近开发了不同的表层层,可以(重新)将数据嵌入预先确定的表层模型,但它们在代表性学习方面有两个重要的局限性,我们在本文件中讨论。首先,目前建议的表层损失不能代表简单的模型,例如自然方式的集群和信号。第二,这些损失忽略了数据中所有原始的结构(如邻里区)信息,而这些信息对学习有用。我们通过引入一套新的表层损失来克服这些局限性,并提议使用这些表层层层层数据作为将数据在表层上定期嵌入到自然的图层模型中的一种方法,这是我们在本文中讨论的高级模型应用。我们从一个全面的实验,从一个模型到从一个模型到一个模型的模型,我们包括了从一个完整的模型到一个模型。

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